Новоженов В.А. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

242

растительного или животного происхождения, которую он не

смог бы переварить.

На вопрос, почему именно живая природа выбрала белко-

вые молекулы, построенные из аминокислот левого вращения,

до сих пор нет убедительного ответа. Сам Л. Пастер считал, что

поскольку живое возникает из неживого, то необходимым пред-

варительным условием для этого процесса должно стать пре-

вращение симметричных неорганических молекул в асиммет-

ричные. По его предположению, такое превращение могло быть

вызвано различными космическими факторами, в частности,

геомагнитными колебаниями, вращением Земли, электрическими

разрядами и т.п. Попытки экспериментально проверить эту гипо-

тезу не увенчались успехом. Поэтому высказывались предполо-

жения и о чисто случайном характере возникновения первых

живых молекулярных систем, образованных из аминокислот ле-

вого вращения. В дальнейшем эта особенность могла быть пе-

редана по наследству и закрепиться как неотъемлемые свойства

живого организма.

Наряду с изучением структуры белка в последние полвека

особенно интенсивно изучались механизмы наследственности и

воспроизводства живых систем. Особ енно остро этот вопрос

встал перед биологами в связи с определением границы между

живым и неживым. Большие споры возникли вокруг природы

вирусов, которые обладают способностью к самовоспроизводст-

ву, но не в состоянии осуществлять процессы, которые мы

обычно приписываем живым системам: обмен веществ, реакцию

на внешние раздражители, рост и т.п. Очевидно, если считать

определяющим свойством живого организма обмен веществ, то

вирусы нельзя назвать живыми организмами, но если таким

свойством считать воспроизводимость, то их следует отнести к

живым телам. Так естественно возникает вопрос: какие свойства

или признаки характерны для живых систем? На этот вопрос

ученые отвечали по-разному в различные исторические этапы

развития естествознания в зависимости от достигнутого уровня

исследований. Пока не существовало развитых методов биоло-

гического исследования и сколь-нибудь ясных теоретических

концепций, сущность живого сводили к наличию некоей таинст-

венной «жизненной силы», которая отличает живое от неживого.

Однако такое определение оставалось чисто отрицательным,

так как не раскрывало ни подлинной причины, ни механизма

отличия живого от неживого, а все сводило к иррациональной,

243

непознаваемой и потому таинственной способности живых орга-

низмов. На этом основании сторонников такого взгляда называ-

ли «виталистами». Если первые виталисты ограничивались про-

стой констатацией различия между живым и неживым, то их по-

следователи использовали недостатки и ограниченность физико-

химических представлений о жизни для подкрепления своей

позиции. Наиболее интересной в этом отношении представляет-

ся попытка немецкого биолога и философа Х. Дриша (1867–

1941), который возродил существовавшее еще у Аристотеля

понятие энтелехии для объяснения целесообразности живых

систем. Основываясь на своих опытах по регенерации морских

ежей, которые восстанавливают удаленные у них части тел,

Дриш утверждал, что все живые организмы обладают особой

способностью к целесообразным действиям по сохранению и

поддержанию своей организации и жизнедеятельности, которую

он назвал энтелехией. По сути дела энтелехия ничем не

отличается от отличается от «жизненной силы» виталистов, хотя

в духе своего времени (XX в.) X. Дриш вводит градации и

различные ее степени для разных живых организмов. На у преки,

что энтелехию невозможно установить никакими эмпирическими

методами, он отвечал, что магнитную силу также нельзя увидеть

непосредственно. На этом примере можно убедиться, что

современные виталисты используют понятия о ненаблюдаемых

объектах (магнетизм, электричество и т.д.) для защиты своих

взглядов.Несмотря на критику виталистов, биологи-эксперимента-

торы продолжали свою трудную и кропотливую работу по анали-

зу структуры и функций живых систем. Как изменились наши

представления о живых системах в связи с переходом на новый,

молеку лярный уровень исследования?

Долгое время в связи с изу чением синтеза неорганических

веществ внимание ученых было сосредоточено на исследовании

той части клеточной структуры, которая образована из белков.

Многим казалось, что именно белки составляют фундаменталь-

ную основу жизни, и поэтому пытались свести свойства живых

систем к свойствам и структуре белков. По-видимому, именно

опираясь на это, Ф. Энгельс (1820–1895) выдвинул свое извест-

ное определение жизни как способа существования белковых

тел, которое продолжали некритически повторять в нашей лите-

ратуре, несмотря на глубокие исследования, выяснившие, что ни

сам белок, ни его составные элементы не представляют ничего

уникального в химическом отношении. В связи с этим дальней-

244

шие исследования были направлены на изучение механизмов

воспроизводства и наследственности в надежде обнаружить в

них то специфическое, что отличает живое от неживого. Наибо-

лее важным открытием на этом пути было выделение из состава

клетки богатого фосфором вещества, обладающего свойствами

кислоты и названного впоследствии нуклеиновой кислотой. В

дальнейшем удалось выявить углеводный компонент этих ки-

слот, в одном из которых оказалась D-дезоксирибоза, а в дру-

гом – D-рибоза. Соответственно этому, первый тип кислот стали

называть дезоксирибонуклеиновыми кислотами (сокращенно –

ДНК), а второй тип – рибонуклеиновыми (или кратко – РНК) ки-

слотами. Потребовалось, однако, почти сто лет, прежде чем бы-

ла расшифрована роль нуклеиновых кислот в хранении и пере-

даче наследственности, участии в синтезе белка и обмене ве-

ществ.

Не вдаваясь в детали, кратко рассмотрим эти важнейшие

для биологии и естествознания вопросы. Роль ДНК была выяс-

нена после того, как в 1944 г. американским микробиологам уда-

лось доказать, что выделенная из пневмококков свободная ДНК

обладает свойством передавать генетическую информацию. До

этого существовали либо косвенные, либо не совсем надежные

свидетельства этого факта. В 1953 г. Д. Уотсоном и Ф. Криком

была предложена и экспериментально подтверждена гипотеза о

строении ДНК как носителя информации. В 1960-е гг. француз-

скими учеными Ф. Какобом (р. 1920) и Ж. Моно (1910–1976) была

решена одна из важнейших проблем генной активности, раскры-

вающая фундаментальную особенность функционирования жи-

вой природы на молекулярном уровне. Они доказали, что по сво-

ей активности все гены разделяются на «регуляторные», коди-

ру ющие структуру регуляторного белка, и «структурные гены»,

кодиру ющие синтез метаболитов, в том числе ферментов. Даль-

нейшими исследованиями была установлена непосредственная

зависимость синтеза белков (ферментов) от состояния генов

(ДНК). Оказалось, что если воздействовать на генетический ап-

парат микроорганизмов определенными физическими фактора-

ми (ультрафиолетовые, рентгеновские и другие лучи), то они

перестают синтезировать необходимые им метаболиты, в част-

ности, белки. Благодаря этим исследованиям было показано, что

основная функция генов состоит в кодировании синтеза белков.

В связи с этим возник вопрос: каким образом осуществляется

передача информации от ДНК к морфологическим структурам?

245

Согласно упомянутой выше модели Уотсона и Крика, наследст-

венную информацию в молекуле ДНК несет последовательность

четырех оснований: два пуриновых и два пиримидиновых. Между

тем в белках содержится 20 аминокислот, и поэтому становится

необходимым объяснить, как четырехбуквенная матрица может

быть переведена в 20-буквенную запись аминокислот белков.

Первое гипотетическое объяснение механизма такого перевода

дал Г. Гамов, предположив, что для кодирования одной амино-

кислоты требуется сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Спустя

семь лет его гипотеза была подтверждена экспериментально, и

тем самым был раскрыт механизм считки генетической инфор-

мации.

Переход на молекулярный уровень исследования во многом

изменил представления о механизме изменчивости. Согласно

доминирующей точке зрения, основным источником изменений и

последу ю щего отбора являются мутации, возникающие на моле-

кулярно-генетическом уровне. Однако, кроме переноса свойств

от одного организма к другому, существуют и другие механизмы

изменчивости, важнейшим из которых являются «генетические

рекомбинации». В одних случаях, называемых «классическими»,

они не приводят к увеличению генетической информации, что

наблюдается главным образом у высших организмов. В других,

«неклассических» случаях рекомбинация сопровождается уве-

личением информации генома клетки. При этом фрагменты хро-

мосомы клетки-донора могут включаться в хромосому клетки-

реципиента, а могут оставаться в латентном, скрытом, состоя-

нии, но под влиянием внешних факторов они становятся актив-

ными и потому могут соединиться с клеткой-реципиентом. Даль-

нейшее исследование генетических рекомбинаций привело к

открытию целого вида переносимых или «мигрирующих» генети-

ческих элементов.

Дальнейшие исследования «неклассических» форм генети-

ческих рекомбинаций привели к открытию целого ряда перено-

симых, или «мигрирующих» генетических элементов. Важней-

шими из них являются автономные генетические элементы, на-

званные плазмидами, которые служат активными переносчиками

генетической информации. На основе этих результатов некото-

рыми учеными высказано предположение, что «мигрирующие»

генетические элементы вызывают более существенные измене-

ния в геномах клеток, чем мутации. Все это не могло не поста-

вить вопроса о том, работает ли естественный отбор на молеку-

246

лярно-генетическом уровне. Появление теории «нейтральных

мутаций» еще больше обострило ситуацию, поскольку она дока-

зывает, что изменения в функциях аппарата, синтезирующего

белок, являются результатом случайных мутаций, не оказываю-

щих влияния на эволюцию. Хотя такой вывод и не является об-

щепризнанным, но хорошо известно, что действие естественного

отбора происходит на уровне фенотипа, т.е. живого, целостного

организма, а это связано уже с более высоким уровнем исследо-

вания.

Онтогенетический уровень живых систем

В настоящее время считают, что онтогенетический уровень

охватывает все отдельные одноклеточные и многоклеточные

живые организмы, а раньше чаще всего его рассматривали как

уровень, включающий только многоклеточные организмы. Сам

термин «онтогенез» ввел в науку известный немецкий биолог

Э. Геккель, автор знаменитого биогенетического закона, соглас-

но которому онтогенез в краткой форме повторяет филогенез.

Это означает, что отдельный организм в своем индивиду альном

развитии в сокращенной форме повторяет историю рода.

Поскольку минимальной самостоятельной живой системой

можно считать клетку, постольку изучение онтогенетического

уровня следует начать именно с клетки. В зависимости от харак-

тера структуры и функционирования все клетки можно разделить

на два класса:

– прокариоты – клетки, лишенные ядер;

– эукариоты, появившиеся позднее клетки, содержащие

ядра.

При более глубоком исследовании оказалось, что эти два

класса клеток обладают существенными различиями в структуре

и функционировании генетического аппарата, строении клеточ-

ных стенок и мембранных систем, характере механизмов синте-

за белков и т.п.

Соответственно тому, из каких клеток построены живые сис-

темы, их можно разделить на две обширные группы или два жи-

вых царства. К первому принадлежат многочисленные виды та-

ких одноклеточных организмов, как бактерии, сине-зеленые во-

247

доросли, грибы и др. Все остальные одноклеточные, а тем более

находилась в ином состоянии, нежели многоклеточные

организмы, начиная от низших и кончая высшими, построены из

позднее возникших эу кариотных клеток. Эту классификацию

пришлось, однако, пересмотреть после открытия архебактерий,

особенность которых состоит в том, что их клетки в чем-то сход-

ны, с одной стороны, с прокариотами, а с другой – с эукариота-

ми. На этом основании в настоящее время различают три типа

онтогенетического уровня организации живых систем, которые

представляют собой три линии развития живого мира: 1) прока-

риоты, или эубактерии; 2) эукариоты и 3) архебактерии.

По-видимому, эти три линии развития исходят из единой

первичной минимальной живой системы, которую можно назы-

вать протоклеткой. Предполагают, что она обладала всеми

основными свойствами, характерными для живых организмов. К

ним относят прежде всего способность к обмену с окружающей

средой – признак, присущий всем открытым системам. С нею

непосредственно связана способность протоклетки к метабо-

лизму, т.е. осуществлению биохимических реакций, сопровож-

дающихся усвоением необходимых для роста клетки веществ и

удалением использованных продуктов реакций. Дальнейшее

функционирование и развитие клетки предполагает также нали-

чие у нее способности к делению и почкованию. К этим призна-

кам многие исследователи добавляют дополнительные свойст-

ва, но все ученые признают, что протоклетка отнюдь не была

какой-то бесструктурной массой, а представляла собой доста-

точно организованную целостность, которую можно охарактери-

зовать как первичную живую тотему. Предполагают также, что

протоклетка по важнейшим своим структурно-функциональным

свойствам нe была подобна современным одноклеточным про-

кариотам, а обладала некоторыми признаками, аналогичными

свойствам эукариотных клеток.

По вопросу происхождения эукариотных клеток существуют

две основные гипотезы. Сторонники аутогенной гипотезы счита-

ют, что такие клетки могли возникнуть путем дифференциации и

усложнения слабо структурированных клеточных образований,

подобных прокариотам. Защитники другой, симбиотической, ги-

потезы полагают, что эукариотные клетки образовались путем

симбиоза нескольких прокариотных клеток, геномы которых вне-

дрились в клетку-хозяина, причем, по одной версии, они способ-

ствовали постепенному превращению последней в эукариотную

248

клетку (рис.4.1), а по другой – она уже обладала некоторыми

свойствами эукариотов.

Рис.4.1. Современная схема строения эукариотической

живой клетки. Видно расположение различных

клеточных компонентов

Структурный подход к анализу первичных живых систем на

онтогенетическом уровне, о котором шла речь выше, нуждается

в дополнительном освещении функциональных особенностей их

жизнедеятельности и обмена веществ. Среди них особого вни-

мания заслуживает исследование трофических, или пищевых,

потребностей организмов. Для этого необходимо проследить

ваимоотношения организмов с окружающей средой в рамках

соответствующей экологической системы. Именно поэтому изу-

чение структуры и основных типов питания уже давно привлека-

ло внимание ученых. Они выделили прежде всего два главных

типа питания.

К автотрофному типу относились организмы, кото-

рые не нуждались в органической пище и могли жить либо

за счет ассимиляции углекислоты (бактерии), либо фо-

тосинтеза (растения). Ко второму, гетеротрофному,

249

типу принадлежали все организмы, которые не могли

жить без органической nuщи.

По вопросу о том, какой тип питания возник в начале ста-

новления живых систем, мнения расходятся. Одни ученые не без

основания полагают, что сначала появился автотрофный тип,

поскольку сложные органические вещества, необходимые для

гетеротрофного питания, могли образоваться лишь после того,

как автотрофные организмы создали для этого необходимые

условия. Другие исследователи считают, что гетеротрофное пи-

тание появилось раньше автотрофного. Такого допущения, в

частности, придерживается в своей гипотезе происхождения

жизни А.И. Опарин, полагая, что уже первичный «бульон», в ко-

тором зародилась жизнь, содержал органические соединения как

питательную среду для дальнейшего развития.

Первоначальная простая классификация основных типов

питания и разделения организмов на автотрофов и гипертрофов

в дальнейшем подверглась изменениям и уточнениям, в которых

выявлялись такие важные факторы, как способность организмов

синтезировать необходимые вещества для роста (витамины,

гормоны и специфические ферменты), обеспечивать себя энер-

гией, источниками получения углерода, азота и водорода; зави-

симость от экологической среды и т.п. Таким образом, сложный и

дифференцированный характер трофических потребностей ор-

ганизмов свидетельствует о необходимости целостного, систем-

ного подхода к изучению живых систем и на онтогенетическом

уровне. Такая целостность, взаимосвязь и взаимодействие вы-

ступают в общей форме функциональной системности, которая

находит выражение в согласованном функционировании различ-

ных компонентов одноклеточных и многоклеточных организмов.

При этом отдельные компоненты содействуют и способствуют

согласованному функционированию других, обеспечивая тем

самым единство и целостность в осуществлении всех процессов

жизнедеятельности всего организма. Подобная функциональная

системность в специфических формах выступает и на других

уровнях организации живых организмов.

Уровни организации живых систем

Онтогенетический уровень организации, как мы видели, от-

носится к отдельным живым организмам – одноклеточным и

250

многоклеточным. Его называют также организменным уровнем,

поскольку при этом речь идет о структуре и функциях отдельного

организма без учета его связей и взаимодействий с другими ор-

ганизмами. Поскольку минимальной живой системой служит

клетка, постольку на этом уровне уделяется такое большое вни-

мание анализу структуры и функционирования различных кле-

точных образований.

Популяционный уровень начинается с изучения взаи-

мосвязи и взаимодействия между совокупностями особей

одного вида, которые имеют единый генофонд и занима-

ют единую территорию. Такие совокупности, или, скорее,

системы живых организмов составляют определенную

популяцию. Очевидно, что популяционный уровень выхо-

дит за рамки отдельного организма, и поэтому его назы-

вают надорганизменным уровнем организации.

Приведенное общее определение популяции дает возмож-

ность отличать организменный уровень живого от надорганиз-

менного. Сам термин «популяция» был введен одним из основа-

телей генетики – Вильгельмом Иогансеном (1857–1927), который

с его помощью отличал генетически неоднородную совокупность

организмов от однородной, которую он называл «чистой лини-

ей».

В дальнейшем этот термин и обозначаемое им понятие при-

обрели более глубокий смысл. Многие современные ученые ха-

рактеризуют популяцию не столько как простую совокупность

отдельных организмов, сколько как целостную их систему, в ко-

торой они непрерывно взаимодействуют друг с другом и с окру-

жающей средой. Благодаря этому они оказываются способными

к трансформациям, изменению своего ареала и, самое главное,

к развитию.

Популяции представляют собой первый надорганизменный

уровень организации живых существ, который, хотя и тесно свя-

зан с их онтогенетическим и молеку лярными уровнями, но каче-

ственно отличается от них по характеру взаимодействия состав-

ляющих элементов, ибо в этом взаимодействии они выступают

как целостные общности организмов. По современным пред-

ставлениям, именно популяции служат элементарными едини-

цами эволюции. Второй надорганизменный уровень организации

живого составляют различные системы популяций, которые на-

зывают биоценозами.

251

Они являются более обширными объединениями живых су-

ществ и в значительно большей мере зависят от небиологиче-

ских, или абиотических, факторов развития.

Третий надорганизменный уровень организации содержит в

качестве элементов разные биоценозы и в еще большей степени

характеризуется зависимостью от многочисленных земных и

абиотических условий своего существования (географических,

климатических, гидрологических, атмосферных и т.п.). Для его

обозначения академик В.Н. Сукачев (1880–1967) ввел термин

биогеоценоз.

Четвертый надорганизменный уровень организации возни-

кает из объединения самых разнообразных биогеоценозов и

теперь обычно называется биосферой.

Таким образом, в функционировании и развитии живой при-

роды особенно наглядно и убедительно выступают ее целост-

ность и системность, которые проявляются в существовании

различных иерархических уровней ее организации. При этом

каждый новый уровень характеризуется особыми свойствами и

закономерностями, не сводимыми к закономерностям прежнего,

низшего уровня.

Поскольку основу надорганизменных уровней организации

живого составляют популяции, целесообразно несколько под-

робнее остановиться на их характеристике.

Изучением популяций и биоценозов занимается интенсивно

развивающаяся в последние годы отрасль биологической науки,

называемая популяционной биологией. Одна из основных про-

блем, которую она призвана решить, заключается в установле-

нии пространственной структуры и объемов популяций. Опреде-

лить границу между популяциями чрезвычайно трудно, так как в

силу подвижности компонентов популяции, т.е. составляющих ее

организмов, происходит непрерывное перемешивание ее насе-

ления. Другая трудность – в наличии внутри популяций различ-

ных группировок и в существовании популяций разных рангов.

В рамках популяционной биологии исследуются также весь-

ма важные проблемы метаболического взаимодействия между

популяциями и биоценозами, которые относятся прежде всего к

изу чению их трофических, или пищевых связей. Именно на этой

основе происходит разграничение популяций и биоценозов. Оно

состоит в том, что популяции представляют собой незамкнутые,

открытые метаболические системы, которые могут существовать